全新理論物理模型問世，一舉破解暗物質等五大物理懸題！

來自法國和德國的物理學家聲稱，他們已經找到了一種新的理論模型，該模型可以成功解釋現代物理學中的五個最重大的懸而未決的問題：

暗物質

中微子震蕩

重子生成

宇宙暴脹

強CP問題（強電荷宇稱問題）

被稱為SMASH的新模型認為，只需要添加6種新的粒子，就可以彌合標準模型與實驗事實的所有背離之處。提出該模型的法國-德國物理學家團隊表示，SMASH模型不難被檢驗，因為它並不是對標準模型的顛覆，而只是在其中添加一些新的粒子。

論文地址：https://arxiv.org/abs/1610.01639

SMASH模型可追溯到物理學家米哈伊爾·沙波什尼科夫（Mikhail Shaposhnikov）於2005年在瑞士洛桑聯邦理工學院做的工作，當時，該模型被稱為中微子最小模型（neutrino minimal standard model 或 νMSM）。

中微子最小模型認為，只要給標準模型添加3種具有特定質量的右手中微子，就可以解釋暗物質和宇宙的重子不對稱性。此外，新模型的理論預期也與中微子振蕩實驗的結果吻合。

目前，法國巴黎薩克萊大學的物理學家古力莫·巴爾斯太羅（Guillermo Ballesteros）領導SMASH團隊。

他表示，可以結合3種右手中微子、標準模型中已經存在的3種中微子和一種叫做彩色三重峰費米子的亞原子粒子，來解釋5大問題中的前4個問題。再加入一種理論假設的場，就可以解釋第五個問題。

通常而言，超對稱理論需要引入數百種新粒子，但相比之下，SMASH模型看起來就相當簡單了。

香農·哈爾（Shannon Hall）表示：「SMASH引入了一種新的場來解釋這些物理學問題。這種場包含2種粒子：被認為是暗物質組成部分的軸子，以及暴脹子，它是暴脹的推手。」

科研團隊相信，SMASH模型可以被下一代粒子加速器驗證，因此，它比其他難以實驗驗證的理論更靠譜。

SMASH研究團隊成員和德國電子同步加速器科研團隊成員安德魯斯·雷沃德（Andreas Ringwald）表示，對該理論的驗證在幾年之內就可以完成。因為如果一種需要100年甚至更久才能被實驗驗證的理論，應該叫做形而上學，而不是科學。

SMASH 模型的論文目前還未發表在同行評議學術期刊上，因此它還必須經過粒子物理學界的嚴格審查。但是arXiv上已經有該模型論文的預印本，可以自由下載查看。

當然，SMASH模型可能並不能像預期的那樣，完美解釋5個重大問題。但是無論如何，科學家相信它都是一系列激動人心的進步的起點。按照雷沃德的說法：「新的征程開始了。」

該模型引起了學術界極大的關注，因為其他試圖解釋量子力學實驗事實的理論——比如超對稱性——都需要向標準模型中添加上百種人類尚未發現其蹤跡的新粒子。而SMASH只需要向標準模型中加入6種新粒子：3種中微子，1種費米子，以及一個包含2種粒子的場（粒子可以作為源激發出場。場無實體，但在不同時間點和空間點都有其對應值。

大量粒子尚未被發現

那麼，這個模型究竟能解釋哪些重大物理問題呢？我們從暗物質開始說起。

問題一：暗物質

越來越多的證據顯示，宇宙中26-27%的物質是暗物質。人類可以探測到到這種物質產生的引力效應，但暗物質自己不發射電磁波，也不和電磁波發生相互作用，因此極難被探測到。

儘管物理學家已經努力了多年，但是他們對暗物質仍知之甚少，除了一點——暗物質對宇宙的穩定存在至關重要。

根據SMASH模型，科學家計算出暗物質候選者軸子的質量為50~200μeV，有望在下一代對軸子的直接探測實驗中驗證。

星系間分布的暗物質假想圖

問題二：中微子震蕩

2015年諾貝爾物理學獎被授予兩位物理學家：東京大學教授梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納德（Arthur B.McDonald）。他們的貢獻是發現了中微子在多種亞型之間的振蕩轉換。

具體而言就是，伴隨著電子、μ介子或tau輕子產生的中微子都由一種特定的亞型構成，但是經過一定時間後，這些中微子都會變成各種不同亞型的混合體。

Takaaki Kajita和Arthur B.McDonald因發現中微子振蕩而獲得2015年諾貝爾物理學獎

只有有質量的粒子才能在各種不同亞型之間發生振蕩變換，因此中微子必然擁有質量。但是根據標準模型，無法解釋中微子的質量來自於何處。

一部分物理學家認為，中微子質量來自於希格斯波色子，另一批物理學家認為，中微子的質量來自於一種人類尚未發現的新粒子。

問題三：重子生成

困擾物理學家的最重大問題之一是：為什麼這個宇宙的物質遠遠多於反物質？根據標準模型，宇宙大爆炸生成了等量的物質和反物質。但是物質和反物質一旦接觸就會湮滅，因此這個宇宙中應該根本沒有物質，只有湮滅產生的輻射。

鑒於目前的情況是這個宇宙還好好地存在著，因此人類目前對反物質的認識肯定不完全正確。那麼，本該把整個宇宙化作輻射的巨量反物質去哪裡了？

SMASH模型中通過所謂「熱輕子生成」（thermal leptogenesis），修改宇宙早期的相變過程，引入有質量的右手中微子對正反物質不對稱給出了解釋。

問題四：宇宙暴脹

宇宙暴脹理論認為，在大爆炸後的極短時間內，宇宙處於一個加速膨脹期。大多數物理學家接受宇宙暴脹理論，但是目前沒人能指出為什麼在暴脹期，宇宙的膨脹速度比光還快——瞬間從一個亞原子粒子的大小變成一個高爾夫球的大小。

SMASH模型對宇宙暴脹的參數進行了計算，結果與最新的宇宙微波背景輻射數據相符。

問題五：強CP問題（強電荷宇稱問題）

強電荷宇稱問題被認為可以彌補標準模型無法解釋反物質去向的不足，但它自身也存在諸多疑點。

敘述強電荷宇稱問題很難。但簡而言之，強電荷宇稱問題描述了這樣一個現象：電荷宇稱不守恆現象不會在量子色動力學（QCD）中出現。宇稱守恆是宇宙的基本規律，而量子色動力學解釋了夸克和膠子的關係。目前沒人能對這一現象背後的原因做出有說服力的解釋。

在能量較低的情況下，標準模型就是SMASH模型的近似。標準模型通過蹺蹺板機制（Seesaw mechanism）解釋中微子質量，然後通過KSVZ（Kim-Shifman-Vainshtein- Zakharov）理論對強電荷宇稱問題作出解釋。